【導(dǎo)讀】現(xiàn)今的電路和系統(tǒng)工作于1.2 V甚至更低的電源軌，即使偏離標(biāo)稱值的微小變化也會產(chǎn)生誤碼。抖動、錯誤開關(guān)及與瞬態(tài)相關(guān)的問題都可能會給你制造難題。
現(xiàn)今的電路和系統(tǒng)工作于1.2 V甚至更低的電源軌，即使偏離標(biāo)稱值的微小變化也會產(chǎn)生誤碼。抖動、錯誤開關(guān)及與瞬態(tài)相關(guān)的問題都可能會給你帶來難題。
配電網(wǎng)絡(luò)（PDN）上的噪聲測量已成為系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試和故障排除的焦點(diǎn)。但是，確定PDN完整性的過程并非沒有“陷阱”。本文將介紹PDN測量和探測所面臨的一些挑戰(zhàn)，以及可能導(dǎo)致錯誤結(jié)果的原因，并討論如何克服它們。
當(dāng)心射頻拾取
來自EMI / RFI的噪聲是最大的挑戰(zhàn)難題，即使是1.5 V電池的電壓測量也會顯而易見。在電池的內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)和由于探測引起的一點(diǎn)電流消耗之間，我們可以預(yù)料到電壓跡線上會有一些小量的噪聲。
嘗試將電池放入支架并探測其端子，您會對示波器屏幕上出現(xiàn)的噪音量感到驚訝。圖1中的頂部跡線是電池的電壓跡線（品紅色，ch2）。作為參考，底部跡線（黃色，ch1）顯示示波器的噪聲基底測量值。兩條跡線都使用相同的垂直刻度。電池的跡線顯示出其電壓的高噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期。平均電壓為1.56 V，噪聲為33 mVPK-PK。
圖1： 1.5 V電池的初始測量結(jié)果顯示噪聲（上部跡線）和示波器的基底噪聲（下部跡線）。 顯然，外部噪聲已進(jìn)入測量系統(tǒng)。
有用的一致性檢查是在頻域中查看此信號（圖2）。 從全頻譜圖（上部跡線），我們看到噪聲確實(shí)是寬帶，達(dá)到了示波器的全帶寬（在這種情況下為1 GHz），而且沒有衰減跡象。
圖2：電池電壓測量的頻譜分析視圖顯示出其真正的寬帶（上部跡線），在下部跡線中顯示的前100 MHz中的特定頻率處達(dá)到峰值。
圖2中的下部跡線顯示了噪聲頻譜的前100 MHz的放大視圖。 它揭示出明顯的噪聲峰值，奇怪的是，它正好從15 MHz開始，接著是30 MHz、45 MHz，依此類推。這無疑是來自外部源的RF噪聲。
因此，明顯的補(bǔ)救措施是正確地屏蔽電池（圖3），確保屏蔽罩連接到探頭的返回線。
圖3：探頭周圍的屏蔽，即使是粗糙的屏蔽也可以降低RF拾取噪聲。
增加屏蔽的差別在圖4的下部跡線很明顯。屏蔽可將噪聲從大約-60 dBm范圍減小到-100 dBm范圍，減少了4倍，幅度約為45 nV。
圖4：通過探頭周圍的屏蔽，與圖3相比，示波器顯示出降低的噪聲。
作為最終的完整性檢查，讓我們將有適當(dāng)屏蔽的電池噪聲與示波器的噪聲基底測量值進(jìn)行比較（圖5）。 示波器基底噪聲在Ch1（黃色，下部跡線），而電池噪聲在Ch2上（品紅色，上部跡線），它們幾乎是相同的。
圖5：當(dāng)電池有EMI / RFI屏蔽時，示波器的基底噪聲測量（黃色）和屏蔽的電池測量（品紅色）幾乎完全相同。
因此，除非用屏蔽良好的同軸連接線，其它任何東西探測低電平信號都會受到干擾。任何與DUT屏蔽分開的裸露導(dǎo)體都會像天線一樣。
EMI-RFI拾取通常具有寬帶特性。為了最大限度地減少這方面的影響，您的探頭尖端應(yīng)盡可能地設(shè)計為同軸電纜。這一尖端的任何電感都會降低測量帶寬，并可能導(dǎo)致測量中出現(xiàn)振鈴。更糟糕的是，您將獲得“天線效應(yīng)”，而且探頭容易受到EMI / RFI拾取影響。所以，要確保示波器和DUT之間的連接看起來盡可能像同軸連接。
在測試性設(shè)計方面，如果您可以微型同軸連接器的形式在測試板上添加測試點(diǎn)，然后將同軸電纜連接到這些點(diǎn)，那么您將大大減少電軌測量的EMI / RFI潛在影響。
了解10X探頭
正如我們上面所顯示的那樣，EMI / RFI可能對電源軌測量造成嚴(yán)重破壞。 因此，您應(yīng)始終關(guān)注示波器探頭的某些特性，即10X衰減探頭，通常在新示波器的盒子中可以找到。使用10X衰減探頭，而不是帶微夾鉗尖端的BNC探頭時，我們會得到什么樣的結(jié)果？
圖6顯示了兩條跡線中可比較的噪聲拾取量。 在尖頭開路的情況下，探針對電場更敏感。 10X探針測量值為72 mVPK-PK和11 mV RMS，而同軸探針測量值為36 mVPK-PK和4.2 mV RMS。
圖6：使用10X衰減探頭（頂部）捕獲的信號波形和尖頭開路的BNC探針（底部）顯示出不同的噪聲水平。
圖7顯示了與圖6相同的測量結(jié)果，但是尖頭短接在一起。 在這種情況下，探頭對磁場更敏感。 然而，兩條跡線的噪聲分量再次具有可比性。 這次，10X探頭測得33 mVPK-PK和1.6 mV RMS，而同軸電纜探頭測量值為24 mVPK-PK和1.2 mV RMS。
圖7：與圖6相同的信號和探針，但探針尖頭短接在一起，顯示磁場噪聲較低。
我們知道這些測量中的噪聲是EMI / RFI。 解決RF拾取問題的答案是從DUT到示波器機(jī)箱的適當(dāng)屏蔽。
圖8顯示了應(yīng)用適當(dāng)屏蔽并在探針尖頭短接的情況下進(jìn)行測量的結(jié)果。 正如所期望的那樣，跟在EMI / RFI實(shí)驗(yàn)中一樣，BNC探頭的信號幾乎沒有噪聲。
圖8：相同的信號和探針，其尖端短路如圖7所示，但應(yīng)用適當(dāng)?shù)钠帘物@示出EMI / RFI降低。
10X探頭發(fā)生了什么？請記住，這些跡線以相同的10 mV/div刻度顯示（參見提示）。但10X探頭顯示出10倍的BNC探頭噪聲。原因是兩個探頭在示波器的放大器中都看到相同的噪聲，但它在10X探頭尖端反射了10倍。
這些例子表明，當(dāng)使用任何類型的10X衰減探頭在示波器的本底噪聲處或附近采集低電平信號時，您實(shí)際上已經(jīng)放棄了10倍的信號，但仍具有相同的噪聲量。您可以看到信噪比（SNR）會降低20 dB。
帶寬與電流負(fù)載
測量電源軌上的噪聲時還有另一個棘手的問題：如何在測量中實(shí)現(xiàn)高帶寬，同時最大限度地降低DUT上的電流負(fù)載？鑒于DUT是電源軌，您不希望從中吸取太多電流。但是這兩個測量標(biāo)準(zhǔn)相互矛盾。這是一個窘態(tài)，它與互連信號的基本特性有關(guān)。
假設(shè)您的探頭上有一根同軸電纜。示波器的輸入阻抗為1MΩ，您正在探測低阻抗的電源軌。如果有信號從該軌瞬間發(fā)射到探頭，它會遇到1MΩ輸入阻抗并反射回來，從而引發(fā)振鈴周期（圖9）。
圖9：用一根6英寸長的同軸電纜連接低阻抗電源軌和1MΩ輸入阻抗，會在信號采集時產(chǎn)生反射和振鈴偽影。
您將看到多大的振鈴取決于相對于示波器帶寬的同軸電纜長度。如果您想將振鈴頻率推高到超過1 GHz示波器的帶寬限制，那么同軸電纜要短于3英寸，這是相當(dāng)不切實(shí)際的。如果你正在使用儀器的全帶寬，超過3英寸長度可能會看到顯示器上出現(xiàn)振鈴偽影。
實(shí)際應(yīng)用中，你需要更長的同軸電纜。只要示波器的1MΩ輸入阻抗與電源軌DUT的阻抗之間存在不匹配，就會產(chǎn)生反射和振鈴。因此，要想不產(chǎn)生振鈴偽影，可獲得的最高帶寬可能低于您的預(yù)期。
您可以通過在示波器上使用50Ω輸入終端來避免振鈴問題。這種終端可用于最小化電纜反射。
但這又有一個窘境：如果在示波器上使用50Ω輸入端接，在電源軌上就會包含50Ω負(fù)載。如果測量5 V電壓軌，這是示波器中的50Ω電阻可以承受的最高電壓，它將消耗100 mA電流。如果您的軌供電100 A，這不是問題。但如果它是LDO，最大電流只有200 mA，示波器將吃掉你一半的裕量。
另一種選擇是使用10X衰減探頭。它有一個1MΩ的示波器輸入，因此它不會加載電源軌。如上所述，10X探頭將失去20 dB的SNR。一些工程師在探頭尖端使用450Ω串聯(lián)電阻來制作“獨(dú)創(chuàng)”的10X探頭。負(fù)載是500Ω，而同軸電纜仍然是50Ω終端，所以他們都很高興。但同樣，我們引入了10倍衰減，并在阻抗匹配上犧牲了SNR。
使用同軸探針可以測量高帶寬，但為此需要50Ω的負(fù)載。反過來，這會增加電源軌負(fù)載，基本上阻止了我們探測承載超過5 V的電源軌。通常，測試和測量涉及到折中。在某種程度上，每種測量方案都將決定如何平衡這些妥協(xié)以獲得最有意義的結(jié)果。
克服每個挑戰(zhàn)的方法是使用有源探頭。電壓軌探頭在低頻時具有高阻抗，因此它們不會將導(dǎo)軌向下加載，但會在50Ω示波器輸入終端電阻中引入一個帶有隔直電容的并聯(lián)高通濾波器。此外，電壓軌探頭通?？梢猿惺芨哌_(dá)30 V的電壓，并且能夠產(chǎn)生大的偏移。
有源軌探頭是滿足探測電源軌獨(dú)特挑戰(zhàn)的最佳折衷方案。
